ผลกระทบของความเค็มของน้ำป้อนต่อระบบรีเวิร์สออสโมซิส

ความเค็มของน้ำป้อนเข้าระบบ ซึ่งโดยปกติจะแสดงในรูปของปริมาณของแข็งที่ละลายทั้งหมด (TDS) คือผลรวมของความเข้มข้นของเกลืออนินทรีย์ทั้งหมด (เช่น โซเดียม แคลเซียม แมกนีเซียม คลอไรด์ ซัลเฟต เป็นต้น) ในน้ำ เป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในการออกแบบ การดำเนินงาน และประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจของระบบ ระบบรีเวิร์สออสโมซิส ระบบ และผลกระทบของมันนั้นครอบคลุมและเชื่อมโยงกัน

1. ผลกระทบโดยตรงต่อแรงดันออสโมติกและแรงดันใช้งาน

สาระสำคัญของกระบวนการ RO คือการเอาชนะแรงดันออสโมติกตามธรรมชาติของน้ำ โดยการบังคับให้โมเลกุลของน้ำผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านได้ ในขณะที่ยังคงรักษาเกลือไว้ ตามสมการของแวนเดอร์ฮอฟฟ์ แรงดันออสโมติกของสารละลายจะแปรผันตรงกับความเข้มข้นโมลาร์ (ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับ TDS)

แรงดันออสโมติก ≈ 0.8 บาร์ / (1000 มก./ลิตร TDS) นี่เป็นสูตรเชิงประจักษ์แบบง่าย แต่เข้าใจง่ายมาก ถ้าค่า TDS ของน้ำป้อนอยู่ที่ 1000 มก./ลิตร แรงดันออสโมติกตามทฤษฎีจะอยู่ที่ประมาณ 0.8 บาร์ ถ้าค่า TDS ของน้ำป้อนเพิ่มขึ้นเป็น 5000 มก./ลิตร (เช่น น้ำกร่อย) แรงดันออสโมติกตามทฤษฎีจะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 4 บาร์ สำหรับน้ำทะเล ค่า TDS จะอยู่ที่ประมาณ 35,000 มก./ลิตร โดยมีแรงดันออสโมติกตามทฤษฎีสูงถึงประมาณ 28 บาร์

เพื่อสร้างแรงขับเคลื่อนการซึมผ่านที่มีประสิทธิภาพ (แรงดันขับเคลื่อนสุทธิ) แรงดันใช้งานของ ระบบ RO แรงดันใช้งานต้องสูงกว่าแรงดันออสโมติกมาก ดังนั้น สำหรับทุกๆ การเพิ่มขึ้นหนึ่งลำดับความ magnitud ของความเค็มของน้ำป้อน แรงดันใช้งานที่ต้องการจะเพิ่มขึ้นเกือบเป็นเส้นตรง แรงดันใช้งานสำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลด้วยระบบ RO โดยทั่วไปอยู่ที่ 55-80 บาร์ ในขณะที่สำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำกร่อยทั่วไปด้วยระบบ RO อยู่ที่เพียง 10-25 บาร์ ซึ่งหมายถึงการใช้พลังงานที่สูงขึ้นและความต้องการอุปกรณ์และวัสดุที่สูงขึ้น

2. ผลกระทบต่ออัตราการแยกเกลือออกจากน้ำของระบบ

อัตราการกรองของเยื่อ RO สำหรับไอออนชนิดต่างๆ นั้นค่อนข้างคงที่ อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงความเค็มของน้ำป้อนส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการแยกเกลือออกจากน้ำของระบบในสองระดับ

อัตราการแยกเกลือออกจากน้ำที่ลดลงอย่างเห็นได้ชัด: อัตราการแยกเกลือออกจากน้ำคำนวณได้จากสูตร (1 - ความเค็มของน้ำที่ผ่านเยื่อ / ความเค็มของน้ำป้อน) * 100% โดยสมมติว่าค่าการซึมผ่านของเกลือสัมบูรณ์ (ปริมาณเกลือที่ผ่านต่อหน่วยเวลา) คงที่ เมื่อความเค็มของน้ำป้อนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แม้ว่าคุณสมบัติทางกายภาพของเยื่อจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง อัตราการแยกเกลือออกจากน้ำที่คำนวณได้ก็จะลดลง

ที่สำคัญกว่านั้น ความเค็มสูงหมายถึงความแตกต่างของความเข้มข้นของเกลือที่มากขึ้นทั่วเยื่อกรอง ซึ่งเพิ่มแรงผลักดันสำหรับการแพร่ของเกลือจากพื้นผิวเยื่อกรองไปยังด้านที่ผ่านเยื่อกรอง (ทำให้เกิดการแบ่งขั้วความเข้มข้นมากขึ้น) ส่งผลให้ปริมาณการไหลของเกลือจริงเพิ่มขึ้น ที่ความเค็มสูงมาก อัตราการแยกเกลือออกจากน้ำของเยื่อกรองจะลดลงอย่างมาก

3. ผลกระทบต่อปริมาณสารที่ซึมผ่านและอัตราการฟื้นตัว

ที่ความดันใช้งานคงที่ ความดันขับเคลื่อนสุทธิ = ความดันใช้งาน - ความดันออสโมติก ดังที่กล่าวมาข้างต้น ความเค็มสูงจะนำไปสู่ความดันออสโมติกสูง ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการลดความดันขับเคลื่อนสุทธิ

อัตราการไหลของสารละลายที่ผ่านเยื่อกรองเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันขับสุทธิ หากแรงดันใช้งานคงที่ การเพิ่มความเข้มข้นของสารละลายทั้งหมด (TDS) ในสารละลายป้อนจาก 1000 มก./ลิตร เป็น 5000 มก./ลิตร อาจทำให้แรงดันขับสุทธิลดลง 3-4 บาร์ ส่งผลให้อัตราการไหลของสารละลายที่ผ่านเยื่อกรองลดลง 20%-30% หรือมากกว่านั้น

เมื่ออัตราการฟื้นตัวของระบบ (น้ำที่ผ่านเมมเบรน/น้ำป้อน) เพิ่มขึ้น ความเค็มของน้ำป้อนที่ปลายเมมเบรนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เพื่อหลีกเลี่ยงแรงดันออสโมติกที่พุ่งสูงขึ้นและความเสี่ยงต่อการเกิดตะกรันเนื่องจากค่า TDS สูงเกินไปที่ปลายระบบน้ำป้อน ระบบน้ำป้อนที่มีความเค็มสูงจึงต้องใช้อัตราการฟื้นตัวที่ระมัดระวังมากขึ้น

อัตราการกู้คืนน้ำประปาปกติด้วยระบบ RO สามารถสูงถึง 75% ส่วนน้ำกร่อยที่มีความเข้มข้นสูง มักออกแบบให้มีอัตราการกู้คืนอยู่ที่ 60%-70% และน้ำทะเลจะมีอัตราการกู้คืนที่ต่ำลงไปอีก คือ 40%-50% อัตราการกู้คืนที่ต่ำหมายถึงการปล่อยสารเข้มข้นทิ้งมากขึ้น และการใช้ประโยชน์จากน้ำลดลง

4. แนวโน้มการเกิดคราบสกปรกและการสะสมตะกรันบนเมมเบรนเพิ่มขึ้น

ความเค็มสูงไม่ได้เป็นสาเหตุโดยตรงของการเกิดคราบสกปรก แต่จะสร้างสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อการเกิดคราบสกปรกและการสะสมของตะกอนมากขึ้น

การเกิดภาวะความเข้มข้นสะสมที่เพิ่มขึ้น: เมื่อน้ำที่มีปริมาณสารละลายรวมสูง (TDS) มีความเข้มข้นสูงขึ้นที่ผิวเมมเบรน ความเข้มข้นของเกลือและสารปนเปื้อนอื่นๆ (เช่น ซิลิเกต ซัลเฟต และสารอินทรีย์) จะสูงกว่าในน้ำที่ไหลผ่านโดยทั่วไปมาก ซึ่งจะเพิ่มความเสี่ยงที่เกลือที่ละลายได้น้อย (เช่น CaSO₄, CaCO₃, BaSO₄) จะมีปริมาณเกินค่าผลคูณการละลายและตกตะกอนออกมา ทำให้เกิดคราบตะกรัน

การเสื่อมสภาพของเสถียรภาพของคอลลอยด์: ความเข้มข้นของไอออนสูงจะบีบอัดชั้นไฟฟ้าคู่ของอนุภาคคอลลอยด์ ทำให้เสถียรภาพของอนุภาคถูกทำลาย และทำให้มีแนวโน้มที่จะตกตะกอนบนพื้นผิวเมมเบรนมากขึ้น ก่อให้เกิดคราบสกปรกจากคอลลอยด์

ทำความสะอาดได้ยาก: เมื่อเกิดคราบสกปรกในสภาพแวดล้อมที่มีเกลือสูง ชั้นคราบสกปรกมักจะหนาแน่นและทำความสะอาดได้ยากขึ้น ทำให้เมมเบรนมีอายุการใช้งานสั้นลง

5. ส่งผลกระทบอย่างเด็ดขาดต่อการใช้พลังงานและเศรษฐกิจ

ผลกระทบโดยรวมจะสะท้อนออกมาในต้นทุนการดำเนินงาน ในระบบรีเวิร์สออสโมซิส พลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่จะถูกใช้ไปกับปั๊มป้อนน้ำ แรงดันใช้งานโดยทั่วไปจะแปรผันตรงกับปริมาณการใช้พลังงาน

การแยกเกลือออกจากน้ำกร่อยที่มีความเข้มข้น 1000 มิลลิกรัม/ลิตร ให้ได้ปริมาตรน้ำบริสุทธิ์เท่าเดิม อาจใช้พลังงานเพียง 0.8-1.2 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ลูกบาศก์เมตร ในขณะที่การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลที่มีความเข้มข้น 35000 มิลลิกรัม/ลิตร โดยทั่วไปจะใช้พลังงาน 2.5-4.0 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ลูกบาศก์เมตร ซึ่งมากกว่าถึง 3-4 เท่า

การใช้พลังงานสูงเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ต้นทุนการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลสูงกว่าการผลิตน้ำจืดจากน้ำกร่อยอย่างมาก นอกจากนี้ การทำงานภายใต้แรงดันสูงยังทำให้วัสดุที่ใช้ในการผลิตปั๊ม ท่อส่ง และตัวเรือนไดอะแฟรมมีความทนทานสูงขึ้น ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการลงทุนเริ่มต้นสูงขึ้นด้วย